¿Cómo hacer un electroimán?

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA
¿Cómo hacer un electroimán?
Nelson Felipe Oliveros Mesa G2N28
Paula Angélica Solarte Blandón G2N28
26/11/2012
Nuestra intención es mostrar que debemos tener en cuenta a la hora de construir un
electroimán. Cuales fueron las consideraciones y aspectos decisivos para ejecutar el
proyecto y demostrar que es un proyecto aplicado al electromagnetismo. Al final, los
requisitos de diseño se lograron gracias al uso de las leyes electromagnéticas y
simulaciones.
¿Cómo hacer un electroimán?
26 de noviembre de 2012
PROBLEMA
JUSTIFICACION
El proceso de diseño de un electroimán
requiere un conocimiento de las leyes
básicas del electromagnetismo. Para un
dispositivo óptimo es esencial un buen
diseño, eligiendo los materiales y
procedimientos
de
construcción
adecuados. Principalmente los mayores
retos para la construcción de dicho
dispositivo son:
 Elegir
un
buen
material
ferromagnético, que presente
una baja reluctancia y permita
un buen desempeño.
En el ámbito industrial, es de gran
 Calcular la corriente necesaria
para
generar
un
campo
magnético capaz de ejercer una
fuerza suficiente para levantar
un peso de 1Kg.
mostrar por medio de un dispositivo
 Elegir el calibre de conductor
adecuado a fin de transportar
sin degradarse, la corriente
calculada para proporcionar la
fuerza
magnetomotriz
necesaria.
La solución a estos tres interrogantes
plantea la necesidad de investigar sobre
los siguientes tópicos.
 Leyes de maxwell
 Circuitos magnéticos
 Materiales ferromagnéticos.
importancia la capacidad de transportar
productos o materias primas de un lado a
otro. Puesto que se busca la mayor
eficiencia en cada subproceso, realizar
tareas
repetitivas
de
transporte
es
sumamente ineficiente, por esta razón,
elementos
como
electroimanes
“acoplados a sistemas mecánicos” y
bandas transportadoras son vitales en las
empresas.
El mayor interés de este proyecto es
didáctico, la viabilidad y utilidad de los
electroimanes
transporte
en
“de
el
proceso
materias
de
primas,
productos etc. obviamente metálicos” de
un punto a otro en una cadena de
producción.
OBJETIVO GENERAL
 Diseñar y construir un electroimán
capaz de levantar un peso mínimo
de 1kg capaz de funcionar con
corriente AC o DC.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Diseñar el núcleo teniendo como
base de partida criterios como
baja reluctancia, alta
permeabilidad, bajo costo y
dimensiones adecuadas.
 Calcular la corriente necesaria
para lograr establecer un flujo
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capaz de levantar un peso
alrededor de 1kg
 Calcular el calibre del conductor
de modo que soporte la corriente
a la cual será sometido.
 Calcular el número de espiras
requerido por la bobina.
B es la densidad de campo magnético
𝜇0 Es la permeabilidad del aire igual a
4𝜋 ∗ 10−7
Simplificando la ecuación 2 tenemos:
CALCULOS
1 𝐵2
𝐹=
𝑆
2 𝜇0
El área de sección transversal de la varilla
Puesto que la fuerza es igual al peso de la
es:
carga, 1Kg, despejamos B de la ecuación
𝜋𝐷 2
𝑆=
= 1.131 ∗ 10−4 𝑚2
4
La
𝟑.
longitud
de
la
varilla
𝟏.
será
3 y obtenemos:
de
2𝜇0 𝐹
𝑊𝑏
𝐵=√
= 0.15 2
𝑆
𝑚
aproximadamente 10 cms.
Teniendo en cuenta la baja reluctancia
De
del hierro podemos suponer que toda la
magnético tenemos:
las
relaciones
𝟒.
para
el
circuito
energía magnética se consume en el
entrehierro entre el electroimán y su
carga, asumiendo un entrehierro de 1mm
𝑁𝐼 = 𝜙𝑅
y el área transversal mencionada en la
𝑁𝐼 = 𝐵𝑆𝑅
sección anterior tenemos que:
𝐹𝑑𝑙 =
1 𝐵2
𝑆𝑑𝑙
2 𝜇0
𝟓.
𝟔
𝟐.
Dónde:
N es el número de vueltas de la bobina.
Dónde:
𝑆𝑑𝑙 Es el volumen del entrehierro, dl
representa la longitud del entrehierro
F es la fuerza representada por el peso a
levantar, 1Kg para este caso
I es la corriente que circulara por la
bobina.
R es la reluctancia del entrehierro.
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La reluctancia del entrehierro es igual a:
¿Cómo elegir el núcleo?
Varilla en U: si bien este modelo
𝑅=
𝑙
𝜇0 𝑆
aumenta en precio, ya que después de
= 7036027.5 𝑂𝑒𝑟𝑠𝑡𝑒𝑑
𝟕.
adquirir la varilla recta se necesita
aplicarle un doblado para que adquiera
Donde l es la longitud del entrehierro.
esta forma, su precio después de ser
Puesto que tenemos 2 entrehierros en
cotizado
serie la reluctancia total sería igual a
económico tiene un precio de 20000
14072055 Oersted, reemplazando este
pesos, lo cual no es costoso, pero aun así
valor en la ecuación 6 y teniendo una
aumenta el coste del diseño y deberá ser
salida de corriente nominal de 1 A
tenido en cuenta, en cuanto a función, es
tenemos que el número de vueltas
la configuración más fácil de modelar en
necesario es:
circuito magnético:
en varios lugares,
el
más
𝑁 = 𝐵𝑆𝑅 = 238.7 ≈ 240 𝑣𝑢𝑒𝑙𝑡𝑎𝑠
¿Cómo elegir el alambre?
Como la corriente del bobinado será de
1 A, podemos observar en la tabla1 que el
alambre calibre 24 soporta esta corriente
con un factor de protección del 30%. El
costo por Kg de este alambre es de
$5000 y su densidad lineal es de
1.82Kg/Km.
La reluctancia dada por la culata y por la
armadura que será el objeto a cargar,
además de los dos entrehierros, todos
estos valores son fáciles de calcular y nos
permite una exactitud mayor en los
cálculos.
Teniendo
en
anteriormente,
cuenta
hemos
lo
dicho
decidido
seleccionar el diseño de varilla en u, a
1
http://www.upnfm.edu.hn/bibliod/images/storie
s/tindustrial/libros%20de%20electricidad/Intalaci
ones%20Electricas/cablesyalambres.pdf
pesar de que cortar una barra de acero es
más
económico
que
doblarla,
el
desempeño en términos de energía es
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mucho mayor que el desempeño de una
varilla
recta,
además,
proporciona
ventajas enormes a la hora de realizar los
cálculos referentes al bobinado. Por otra
parte, puesto que el hierro no es un
material demasiado rígido, se puede
doblar con relativa facilidad.
ANALISIS DE RESULTADOS
Se observó que el electroimán era capaz
de levantar 990 grs con una corriente de
2.2 A.
La desviación respecto a los resultados
esperados se debió fundamentalmente a
FUENTE DE ALIMENTACION
Debido a que el material que se va a
la geometría de la pieza que se levantó,
levantar debe estar sujeto al electroimán
rectangular, cuyo espesor era bastante
durante un tiempo largo, esto para poder
pequeño.
trasportar el material de un lugar a otro,
reluctancia del material a levantar sea
debemos establecer una fuerza constante
considerable contradiciendo la suposición
sobre el material, esto nos conduce a
inicial de un material ideal que se hizo
generar un flujo constante en la bobina
para simplificar los cálculos. Sin embargo
solenoide, por consiguiente la corriente
para la eficiencia y desempeño que se
que circula por la bobina debe ser
pretendía alcanzar con este proyecto, la
constante DC.
desviación es aceptable.
Luego de establecer qué tipo de corriente
Respecto al material podemos concluir
va a circular por la bobina, podemos
que sin lugar a dudas el hierro es el
decir que la fuente a utilizar va a ser de
material
corriente directa.
proyectos. Sus propiedades físicas que
esta era un tubo hueco de hierro,
Este
hecho
idóneo
para
hace
este
que
tipo
la
de
facilitan su maquinado, sus propiedades
FUENTES DE FINANCIOAMIENTO Y
ESTUDIO DE MERCADO
magnéticas que le otorgan una alta
permeabilidad, su bajo costo y fácil
adquisición, hacen de este material el
ideal
para
la
construcción
de
Los recursos serán aportados por los
electroimanes. Un factor que no está a su
integrantes del grupo. En anexos se
favor es su tendencia a la corrosión, sin
encuentra adjunto las cotizaciones de los
embargo esta dificultad es fácilmente
materiales.
superada cubriendo
pintura.
el material con
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APLICACIONES INDUSTRIALES
Las aplicaciones industriales que puede
tener
un
electroimán
de
este
tipo
dependen del cliente, en este caso se
supuso la necesidad de levantar placas
metálicas continuamente, debido a la
dificultad en el transporte de este tipo de
materiales el electroimán se convierte en
un elemento indispensable en la cadena
de producción. El diseño en forma de
manija facilita su acoplamiento a un
sistema electromecánico además de que
proporciona mayor agarre y seguridad en
el
transporte
de
la
pieza.
La
automatización de un proceso como este
incrementa las ganancias del cliente ya
que
aumenta
la
productividad
y
disminuye los riesgos intrínsecos de un
proceso de transporte no automatizado.
Al estar con una temperatura elevada y la
dificultad de manejo, se empleó el diseño
en forma de manija, de tal manera que
con un botón pueda aplicar tensión al
electroimán, levantar la placa metálica,
luego desactivar el sistema y así cumplir
con el trasporte de la placa de forma
segura, en este caso, se beneficia el
empleador
porque
su
proceso
se
optimiza, y el empleado gana, ya que su
seguridad fue el motivo del diseño y
podrá cumplir con su papel con menos
riesgos.
ANEXOS
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BIBLIOGRAFIA
 http://enciclopedia.us.es/ind
ex.php/Electroim%C3%A1n
 http://cyt-ar.com.ar/cytar/index.php/C%C3%B3mo_
armar_un_electroim%C3%A1
n